试样尺寸对镁基块体金属玻璃压缩力学行为的影响

研究试样直径和高径比对3种镁基块体金属玻璃Mg65Cu25Gd10、Mg65Cu20Ni5Gd10和Mg75Ni10Gd10压缩变形行为的影响,探讨镁基块体金属玻璃断裂模式的转变机制。压缩应力—应变曲线和断口扫描电镜观察结果表明:镁基块体金属玻璃Mg65Cu25Gd10、Mg65Cu20Ni5Gd10和Mg75Ni10Gd10在压缩条件下可在3个不同的变形阶段发生断裂,第1个是弹性变形阶段,在此变形阶段金属玻璃都以解理方式断裂,无塑性;第2个变形阶段的断裂为解理和剪切混合方式断裂,金属玻璃具有一定的剪切塑性变形;第3个变形阶段为稳定剪切锯齿塑性流变阶段,在此变形阶段金属玻璃都是以剪切方式断裂,具有稳定的塑性变形;镁基块体金属玻璃的断裂模式与尺寸有关,减小试样的直径和高径比都有利于块体金属玻璃由解理断裂向剪切断裂的转变,强度和塑性也相应地得到提高。     

金属玻璃的断裂行为与强度理论研究进展

由于特殊的非晶态结构,金属玻璃表现出与传统晶体材料十分不同的变形与断裂行为.金属玻璃具有高强、脆性和宏观均匀、各向同性的特点,使其成为研究高强度材料强度理论的理想模型材料,因而关于金属玻璃的断裂行为与强度理论研究至今仍然吸引着材料、力学和物理等学科研究人员的广泛兴趣.本文基于作者十多年来关于金属玻璃断裂与强度方面的研究工作,着重阐述对韧性和脆性金属玻璃的断裂行为和强度理论方面的最新认识和研究进展,最后提出金属玻璃断裂与强度方面尚待解决的科学问题.     

金属玻璃变形能力影响因素及提高途径

金属玻璃具有优异的力学、物理、生物和化学性能以及良好的耐磨损、耐腐蚀性能等,因此其在工程和功能材料领域有广阔的应用前景.基于高度局域化的剪切带变形模式,金属玻璃在室温条件下呈现脆性特征和应变软化等问题限制了其应用潜力.改善和提高金属玻璃的力学性能,可通过改变金属玻璃变形能力的影响因素来实现.采用不同制备工艺、试验条件及后续处理工艺能够在一定程度上提高金属玻璃变形能力.因此,系统介绍金属玻璃变形能力影响因素以及如何通过调整这些影响因素来提高金属玻璃变形能力至关重要.本文综述了影响金属玻璃变形能力的内、外在因素,并重点评述了金属玻璃变形能力提高的主要途径.最后,对金属玻璃的改性途径进行了简单总结,并对该领域需要进一步研究的若干问题进行了展望.     

块体非晶合金绝热升温与锯齿流变机制

对Zr41．2Ti13．8Ni10Cu12．5Be22．5块体非晶合金压缩条件下的力学行为进行了研究,利用应变能理论,以面积比(As／A)为参量,计算出了流变过程中剪切带形成时变形区域的温度,变化规律结果表明：随着变形的增大,弹性应变能增加,形成剪切带时的温度逐渐升高,当剪切带面积比As／A值小于1／4时,升高的温度将达到或超过玻璃转变温度,导致变形区域粘度降低,从而促进剪切带继续扩展并导致最终断裂．此局部温度变化规律揭示了块体非晶合金锯齿流变直至断裂的机制．     

Zr40Ti14Ni10Cu12Be24大块金属玻璃的变形机理

在研制出大块金属玻璃之前,非晶金属样品的力学测试仅适用于板、带状材料,因此力学性能的测试仅限于拉伸和弯曲试验。这是由于金属玻璃经受不住拉伸中的塑性变形,再者人们对其流变性能的了解很有限。通过对大块金属玻璃的研制,可进行压缩、扭转、断裂韧性及疲劳试验,从而扩大了力学测试的范围。 在高压及低温下金属玻璃的流变极不均匀,变形主要集中在靠近最大剪切力平面上,并与剪切带中韧度的局部变化有关。关于这种情况有2个假设,第一个是剪切带中的韧度降低是由于变形中自由体积的生成,降低了玻璃的密度。第二个是局部绝热产生热量超出了…     

多应变率下Ti-811钛合金针状组织压缩变形及断裂机制

采用Instron力学试验机及分离式Hopkinson压杆系统,分别对Ti-811钛合金针状组织进行静、动态压缩实验,以研究其不同应变率下的变形及断裂机制。结果表明:随应变率升高,针状组织屈服强度依次呈现正-负-正的应变速率敏感性,其内在原因是位错滑移机制和孪生变形机制的相互竞争。针状组织在静态和动态加载下的断裂机制明显不同,分别呈现为双剪切及单剪切断裂模式。动态加载试样端面部位可形成连续锯齿形金属屑,这是由高速变形过程中主剪切带两侧金属的剧烈错动被入射杆与透射杆遏制所导致。     

Nd60Al10Fe20Co10金属玻璃的变形行为

利用材料测试系统(MTS)、X-Ray衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等手段研究了Nd基大块金属玻璃的变形行为和断裂特征.Nd基大块金属玻璃样品在室温下是脆性断裂,大约在500 K时变形模式从非均匀变形转变为均匀变形,在523 K以上表现出显著的塑性变形.在5×10-4 m/s的应变速率下,这种Nd基大块金属玻璃材料在523 K～600 K之间出现明显的屈服应力下降现象,随后进入1种稳定的粘性流动状态,而且这种屈服下降现象与温度和应变速率有关.这种在过冷液相区的变形行为与其他大块金属玻璃变形特征相似.合金的这种塑性变形行为表明了其存在稳定的过冷液相区,同时对其变形行为的研究有助于进一步了解Nd基大块金属玻璃的反常热稳定性.     

锆基块状金属玻璃剪切带弹性模量骤降现象

正S.V.Ketov等人对块状金属玻璃进行室温下机械压力试验,借助原子力显微镜、定量纳米力学图示法,在靠近和离开剪切带,以2μm剪切台阶,研究块状金属玻璃表面区弹性模量变化情况。研究结果发现,随着以毫米级速度逐渐靠近变形剪切带中心,弹性模量逐步降低,中心区降低最大。约降低70%,这是由于压力试验时过剩体积的形成和迁移,有可能形成微孔穴。     

尺寸和长径比对ZrAlNiCuNb金属玻璃力学性能的影响(英文)

采用单轴压缩和扫描电镜研究试样尺寸和形状因子(长径比)对 Zr56Al10.9Ni4.6Cu27.8Nb0.7 金属玻璃力学性能的影响。结果表明,小尺寸和低长径比的金属玻璃试样展现出更好的塑性,主要是小尺寸试样在凝固过程中由于更高的冷却速率而形成了大量的自由体积,以及多重剪切带的稳定传播。同时引入剪切带不稳定因子(SBI)解释了试样尺寸和高径比对金属玻璃塑性的影响。研究表明,小尺寸和低长径比的试样可以获得剪切带的稳定传播,导致金属玻璃基于尺寸和长径比的塑性演变。     

Effect of Size and Aspect Ratio on the Mechanical Properties of ZrAlNiCuNb Metallic Glass

采用单轴压缩和扫描电镜研究试样尺寸和形状因子(长径比)对 Zr56Al10.9Ni4.6Cu27.8Nb0.7 金属玻璃力学性能的影响。结果表明,小尺寸和低长径比的金属玻璃试样展现出更好的塑性,主要是小尺寸试样在凝固过程中由于更高的冷却速率而形成了大量的自由体积,以及多重剪切带的稳定传播。同时引入剪切带不稳定因子(SBI)解释了试样尺寸和高径比对金属玻璃塑性的影响。研究表明,小尺寸和低长径比的试样可以获得剪切带的稳定传播,导致金属玻璃基于尺寸和长径比的塑性演变。     

载荷方式对双态Ti-55531合金变形和断裂的影响

通过室温静态拉伸和扭转试验,结合TEM、SEM等分析检测方法,系统研究了双态Ti-55531合金在拉伸和扭转载荷下的变形和断裂失效行为。结果表明,载荷方式对双态Ti-55531合金变形和断裂行为有显著的影响：首先,该合金扭转剪切强度较拉伸强度低约300MPa,表明该合金的断裂对扭转切应力的敏感性高于拉伸应力。其次,拉伸和扭转变形时,合金主要都受滑移和剪切共同控制,但相对拉伸变形扭转变形时等轴α_p产生的剪切滑移带数量更多;且变形时晶界α和等轴α_p的界面处易堆积高密度位错。最后,拉伸断口较扭转断口陡峭,拉伸断裂失效是以微孔聚集为主的穿晶断裂机制;而扭转断裂失效则是以微孔聚集和剪切开裂的混合断裂机制。     

具有网络结构的Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃的塑性和断裂模式转变

研究网络结构对Zr?Al?Ni?Cu块体金属玻璃的塑性和断裂模式的影响。采用化学腐蚀法显示并用SEM观察横截面和纵截面的微观结构,采用室温单向压缩试验测定力学性能。结果表明,网络结构显著地影响Zr?Al?Ni?Cu块体金属的塑性和断裂模式,当网络结构的尺寸达到某一临界值时,塑性和断裂模式发生转变。当胞状结构的尺寸约为3μm时,Zr基块体金属玻璃表现出塑性,并且塑性随胞状尺寸的增加而降低。断裂模式随胞状尺寸的增加逐渐由单一45°剪切面断裂向双45°剪切面断裂,最后转变为劈裂断裂。另外,探讨这些Zr基块体金属玻璃的塑性和断裂模式发生改变的机理。     

具有网络结构的Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃的塑性和断裂模式转变（英文）

研究网络结构对Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃的塑性和断裂模式的影响。采用化学腐蚀法显示并用SEM观察横截面和纵截面的微观结构,采用室温单向压缩试验测定力学性能。结果表明,网络结构显著地影响Zr-Al-Ni-Cu块体金属的塑性和断裂模式,当网络结构的尺寸达到某一临界值时,塑性和断裂模式发生转变。当胞状结构的尺寸约为3μm时,Zr基块体金属玻璃表现出塑性,并且塑性随胞状尺寸的增加而降低。断裂模式随胞状尺寸的增加逐渐由单一45°剪切面断裂向双45°剪切面断裂,最后转变为劈裂断裂。另外,探讨这些Zr基块体金属玻璃的塑性和断裂模式发生改变的机理。     

Zr5oTi5Cu18Ni17Al10块体金属玻璃的热稳定性和力学性能

采用差示扫描量热仪以连续加热的方式研究了Zr50Ti5Cu18Ni17Al10块体金属玻璃的热稳定性.其玻璃转变激活能(Eg)以及晶化激活能(Ep1和Ep2)分别为438±11,284±8和323+11 kJ/mol.采用压缩试验研究了金属玻璃的室温力学性能,初始应变速率为1×10-4 s-1.直径为3 mm的金属玻璃棒呈现良好的力学性能,最大塑性应变达3％,杨氏模量和断裂强度的最大值分别为90 GPa和1968MPa.多条剪切带的交织、分叉和滑移以及宽度为60 μm的较大临界剪切台阶是Zr50Ti5Cu18Ni17Al10块体金属玻璃具有较高压缩塑性的主要原因.     

厚板精冲塑性剪切带热力耦合分析与模具失效

厚板精冲过程属非稳态大塑性变形,其精冲剪切带区域变形剧烈而复杂,对此进行实验研究存在诸多困难.本文对厚板精冲工艺进行了基于热力耦合的有限元分析,连续模拟了齿圈压入、板料塑性剪切到完全断裂的过程,获得了厚板精冲过程中剪切带的金属流动规律、热力分布,并通过模具的应力场和温度场分布对模具失效原因进行了分析与预测.     

原位晶态相增强Mg-Cu-Dy非晶基块状复合材料

采用铜模喷铸法制备出直径为3 mm的原位Mg晶态相增强块状Mg70Cu17Dy13非晶基复合材料,对Mg-Cu-Dy类合金的力学性能和变形行为进行研究。结果表明,Mg70Cu17Dy13非晶基复合材料受压时产生加工硬化并获得最大抗压强度为702.38 MPa和塑性变形率为0.81%。这缘于其中Mg相有效的承载能力、塑性变形能力及Mg相对剪切带及裂纹扩展的有效抑制作用,可从其剪切变形、断裂方式和断裂面上密集的熔滴及凸凹不平得到证实     

剪应力状态下6061铝合金的力学性能及断裂行为

对设计的拉伸剪切试样和原位拉伸剪切试样分别进行不同剪应变率下的拉伸剪切试验及原位拉伸剪切试验,研究6061铝合金在剪力状态下的力学性能及断裂行为,并用有限元软件ABAQUS对铝合金在剪应力状态下的断裂行为进行模拟。结果表明:随着剪应变率的增大,6061铝合金的剪切屈服强度和抗剪强度基本保持不变,但剪切断裂应变明显减小;剪应变率对试样的断口形貌没有影响;6061铝合金晶界是其最薄弱环节,在拉伸剪切过程中铝合金试样表面上产生了大量与拉伸方向平行的滑移带;微裂纹在剪应力作用下形核于与拉伸方向平行的滑移带和晶界,随着剪应力的增加,微裂纹长大和扩展;微裂纹之间通过剪切而连接导致试样断裂;6061铝合金剪切断裂行为可以用Johnson-Cook模型进行描述。     

Al_3(Sc,Zr)粒子与剪切带对Al-Mg-Sc-Zr合金再结晶及断裂行为的影响

利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究大变形冷轧Al-6Mg-0.4Mn-0.25Sc-0.1Zr(质量分数,%)合金在不同稳定化退火过程中的组织演变及单轴拉伸断裂行为。结果表明:在大变形冷轧过程中,弥散分布的纳米级Al3(Sc,Zr)粒子阻碍位错运动和晶界迁移,位错密度显著增加。高密度的位错缠结诱发局部不均匀变形,形成大量剪切变形带。冷轧状态下,合金组织分布不均匀,剪切带区域位错密度较大,变形储能较高,在单轴拉应力状态下,合金沿着剪切带方向发生剪切断裂。在稳定化退火过程中,剪切变形带中优先发生形核与晶粒长大。随着稳定化退火温度的不断提高,亚晶发生合并长大,剪切变形组织逐渐消失,合金的断裂行为由剪切断裂转变为混合型韧性断裂。经过高温稳定化退火处理后,部分Al3(Sc,Zr)粒子发生粗化,析出相弥散强化作用减弱,少量粗大粒子转变为裂纹源,合金强度逐渐减弱。     

Influences of Strain Rates on Fracture Mechanism and Phase Separation in Hf-Based Bulk Metallic Glass

采用INSTRON-5569试验机和分离式霍普金森压力杆对Hf44.5Cu27Ni13.5Ti5Al10大块金属玻璃在不同应变速率下(10-4~103s-1)的压缩断裂行为进行了研究。准静态压缩条件下Hf44.5Cu27Ni13.5Ti5Al10大块金属玻璃不呈现应变速率敏感性,断裂强度值最高可达2400 MPa,动态压缩条件下金属玻璃的屈服强度达到2840 MPa。在断裂面上可观察到涟漪状和周期性条纹结构,涟漪状结构表明宏观为脆性断裂的金属玻璃在微观尺度上属于韧性断裂,周期性条纹结构与动态扩展裂纹前端和弹性波的相互作用有关。高的应变速率导致高的断裂强度和绝热温度,局部区域的绝热升温引起了压缩过程中Al的偏析和扩散,这对剪切带和裂纹的形成起到一定的影响。     

Cu/Ti纳米层状复合体塑性变形机制的分子动力学模拟研究

利用分子动力学方法对具有特征晶体取向的Cu/Ti层状复合体在单轴拉伸和平面应变压缩2种变形过程中的微观力学行为进行了研究。模拟结果显示,拉伸载荷作用下,位错优先在Cu/Ti异质界面处形核并沿着{111}晶面向Cu层内部运动,变形机制为层内约束滑移。随着位错的增殖,位错之间发生交互作用并在Cu层内形成插入型层错和形变孪晶。而在此形变过程中Ti层内未发现塑性变形系统的启动。随着载荷继续增大,Cu/Ti界面处的应力集中导致复合体发生断裂。在平面应变压缩变形的模拟中,发现Cu/Ti界面处的应力集中促使Ti层中形成剪切带,剪切带内部及其近邻区域仅存在少量位错。随着外加应变增大,多种变形机制的共同作用引起晶粒旋转,同时复合体内的原子无序度增加。此外,不同初始取向和不同应变速率下的Cu/Ti复合体的微观塑性变形机制和力学性能存在显著差异。研究结果揭示了包含有密排六方金属层状复合材料的微观形变机制。